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Seastien Raoux, Metron Technology, Inc., San Jose, California
當半導體製程中電晶體和金屬層數目增加時，傳統的故障隔離技術較無法成功地隔離出故障產生的原因。同時，診斷成本也因為定位實體缺陷所需的時間而增加。有一項針對良率診斷問題的解決方案是用掃瞄診斷為基礎的故障隔離技術。先前的以掃瞄診斷為基礎的技術既無法對於故障的種類提供足夠的資訊，也不能在診斷原因的過程中產生足夠高的信心水準。用新的掃瞄診斷演算法，現在不但有可能隔離出故障，也可以決定故障的種類，同時在執行破壞性分析之前，針對每一個「可疑者(suspect)」做一個信心水準排名。
在2000年美國有關半導體的全氟化物(PFC)散發量占約0.11%的全球溫室效應之氣體來源。但是，由於全氟化物於大氣中的長效壽命和高度全球暖化潛能，世界半導體委員會(WSC)在1999年同意把散發量在2010年前減少90%。散發減量目標基於在一個規定的地區所散發出的PFC氣體等值碳當量。對歐洲、美國和日本來說，PFC散發量必須到2010前降低到1995年散發量標準的10%以下。對韓國來說，基準年是1997，對於台灣來說，1998是它的基準年。這項研究顯示結合製程改進與減量行動能降低PFC散發量，增加生產力和節約成本。
在工業上已經調查幾種方法來降低PFC散發量，基於可實施的次序列舉4個種類如下︰
1. 最佳化︰在製程並且硬體設備上最佳化，並不變動那些PFC氣體或者那些製程尚需要重大重新驗證的製造生產過程。最佳化的方式相對容易實現，但是並不能夠得到最大的散發減量(10%~60%)。
2. 代替︰使用交替的氣體，例如COF2、F2、C4F6、C5F8或者是更好的PFC氣體，例如NF3、C3F8、c-C4F8或者C4F8O，來替代CF4、C2F6或SF6。這些替代物可以在散發減量上(60%~100%)提供顯著的斬獲，製程上的利益和經濟好處。
3. 減量︰在反應室或者設備排氣口將PFCs減量，利用使用點端(POU)的洗滌器。一些減量設備能提供到99%的消滅性移除率，然而這種方法可能增加生產成本。不過，它可能對於一些應用和用於延長現有的製程和設備是唯一的實際的解決辦法。
4. 捕獲和再循環︰在晶圓廠中，在使用的器具或者反應室的排氣上來捕獲PFCs，然後淨化並且重新用於生產。當這種方式的技術可行能力被證明前，它不可能在經濟效益上可行。
降低PFC散發量的任何有效的策略一定是具體晶圓廠所策畫的。首先，對來自在基準年的晶圓廠基準線PFC散發量的估計應該被評估。其次，散發量由1995－1998增加到2010的時期應該被使用最近修正的IPCC 指南來確定數量[1]。第三，改變(或不改變)現有生產製程之影響的評估應該被完成。
發散物增長
圖一描述在1995年(基準年)到2010年中一個假想情況的晶圓廠，並且由設備的數量與年平均增長(8%和15%的案例研究)的函數關係來計算PFC散發量，假定沒有散發減少行動的過渡期被接受。我們假定包含那些未最佳化在原化學氣相沉積的反應室清理上(總PFC散發量77%)，和其餘從蝕刻過程那裡來的發散量。假設在1995年，一座晶圓廠中裝置有80具CVD設備和60件蝕刻設備，當年度散發量基準線估計為67萬公頓碳當量(MMTCE)。在基準年水準下給予WSC降低散發量的目標以10%來說，可以計算出2010年相同的晶圓廠不應該發出比0.59 MMTCE更大的散發量。而在1995年和2010年之間會以平均8%每年增長率來成長，假設晶圓廠在2010年將會有254具的CVD設備和190件的蝕刻設備。如果沒有任何行動被採取，2010年的散發量將達到2.11個MMTCE，則需要71.6%的絕對的PFC散發減量。在15%的每年增長的情形之下，散發量將達到嚇人地步5.41 MMTCE，需要差不多90%的散發減量。
散發減量於每個設備基礎上
在這研究內，基準散發量和實施測量將基於200毫米晶圓片通過沉積或者1毫米厚膜的蝕刻法。對於簡化來說，我們假設碳當量散發量(8%到15%平均而言/年)的總成長不單只反映出在生產(晶圓片/年)方面的增長，也由於內連線層次增加和低k的材料轉換導致更高的散發量/晶圓的增加。如下所述的5項行動被選擇，因為他們反映出的方法很可能使用於降低PFC散發量：
行動P1︰在遠端清潔技術的實施上使用NF3作為清潔的氣體(遠端清潔)。
行動P2︰實施c-C4F8替代的化學物(臨場清潔)。
行動P3︰實施C3F8替代的化學物(臨場清潔)。
行動A1︰PFCs的減量於在臨場清潔CVD的製程。
行動A2︰來自蝕刻設備PFCs的減量。
基準的電漿化學氣相沉積(PECVD)製程使用(TEOS)四乙基正矽酸鹽化學物來沉積非參雜的矽玻璃(USG)。基準CVD清洗製程(1995年)來自於C2F6在臨場清潔技術的非最佳化過程[4]。此蝕刻過程是一個典型的介電材質的蝕刻過程其散發出4.02公斤/每晶圓片的碳當量。這項分析是在擁有四組反應室的設備中所執行。
我們將CVD基準製程與其它3種替代清潔技術(行動P1-P3)來比較，其證明了從CVD設備中降低了散發量。每種處理模式的效果是基於已公佈於文獻和具生產驗證的性能估計[2-4]。對於基準CVD製程和行動P1、P2與P3，一個具有4個反應室的設備構造被選擇來搭配一個單一的POU減量系統安裝來除去危險的空氣污染物(HAPs)、揮發的有機化合物(VOCs)以及易燃的副產品。我們考慮在臨場CVD(行動A1)及蝕刻(行動A2)製程的減量，使用90%的平均PFC 消滅性移除效率(DRE)。
圖二顯示NF3遠端清潔碳當量的散發量低過在臨場清潔的製程，因為NF3清潔氣體利用效率在遠端清潔過程方面，通常是98%對90% c-C4F8和C3F8 60%在原端清潔的氣體。此外考慮到在減量上，以完全的時間是49%的P1行動(與在非最佳化臨場C2F6清潔的那些相比)，當減量在清潔時間對c-C4F8和C3F8來說被估計為15%時，較大生產力和費用/每晶圓通過(wp)對行動P1來說是0.51元/wp對上行動P2的0.52元/wp和行動P3的0.57元/wp，並且0.87元/wp對基準製程來比較(圖三)。
對於最佳生產力和絕對散發量的減少來說，其中之一將搭配遠端潔淨NF3。但是，考慮到年度成本差異在基準CVD製程之間和行動P1-P3(圖四)，並且以這些來除以每個改善的年散發量減少，行動P2和P3提供了更大幅度的減少/公噸碳當量(圖五)。在這個分析過程中請注意到，P1的年營運費用比P2和P3來的高，因為在產量更高，換句話來說，將是每年和單位設備上更多晶圓製程。無論如何，那些費用/碳當量公噸節省，對於全部製程上改進的行動是負數(-9.9美元到-16.4美元/碳當量公噸來節省)，意味著晶圓廠在減少散發量時將也將降低費用。
PFC減少的計量值在圖二至五中被表明為深色。A1改善行動的結果相當於基準C2F6在原端清潔過程的減少。注意到PFC 減少在設備有遠端清潔的NF3設備上不做考慮，PFC 散發量在這個製程是可以忽視的。選擇一般的減量解決辦法反映出在平均生產成本的減少技術是被證明的。例如，A1行動實施的將是代表高溫(>1200℃)燃燒/濕擦洗的技術。行動A2，為蝕刻製程，可能被使用與濕擦洗相結合的濕性/催化/濕性的技術或者電漿離子技術來做完成。來自非最佳化的CVD C2F6 的PFCs減量節省的費用/公頓碳當量是1.39美元/公噸碳當量，跟蝕刻PFCs的減少清潔過程是44.3美元/公頓碳當量來相比。
在CVD和蝕刻減量每公噸碳當量的成本之間差異，可以在PFC流量通常在蝕刻上為CVD上消耗的十分之一來解釋。因為蝕刻和CVD的PFC 減少費用是可比較的(0.21美元/wp與0.28美元/wp)，其費用/散發量的降低對於蝕刻來說是高得多。與行動P1-P3相比，這不但改進生產力並且降低散發量，僅PFC減量不能在經濟上有其競爭效益，這部分解釋為什麼它是最少想要的解決辦法。
PFC散發量減少的經濟學
為實現上述描述的行動有幾種可能的情景。我們選擇製程由超過一個10年(2000-2010)的時間週期，以10%/年的比率安裝P1-P3解決辦法。如果行動P1-P3不足夠用，減量被在實施時期(2010)的最後一年來實施。
P1、P2和P3各自的設備數量保持在各三分之一的數量，但是大多數晶圓廠或許只能在臨場CVD的製程，只實行一個可替代的化學物。為了比較，我們選擇在晶圓廠中平均實行P1、P2和P3。
表中提出兩晶圓廠用8%的(Fab 1)和15%的(Fab 2)年平均增長的劇本。伴隨著差不多的實施P1(90件CVD設備)、P2(89件CVD設備)，以及P3(75件CVD設備)，Fab 1能透過使用最佳化的CVD反應室在全部254件CVD設備清潔達到它的發散減量的目標。對於蝕刻設備不需任何行動，PFC減量沒被要求，並且絕對的PFC散發量在1995和2010之間被降低了71.6%。總共8.3 MMTCE在10年的實施時間減少。因為在這劇本裡的全部解決辦法也改進了生產力，再與2000-2010實施計畫相關的淨節省是大於11.4億美元。在另一個劇本當中，Fab1能達到它散發量目標，以實現行動P1在90具CVD設備和行動P2在154 CVD 設備上，有相似的淨節省值。
Fab 2已經在1995年和2010年之間看見15%的年平均增長，不能只靠在CVD設備上行動來把它的絕對的散發量減少88.9%。全部651件CVD設備的平均實現行動只取得它的目標的80%。即使全部設備與NF3遠端潔淨(低散發潔淨過程)一起改裝，Fab 2將到達只它的目標的86%。更進一步行動一定被用於原端清潔的CVD設備，或者蝕刻的散發量。在這劇本下，行動A1由在用c-C4F8和C3F8改裝的全部CVD設備上，實現PFC 減少組成。不過，行動A1仍然不足，並且另外的PFC減少需要蝕刻設備。如果總數488台在Fab 2的蝕刻機台中的298，PFC 減少解決辦法改裝，fab將達到它的0.59 MMTCE的最大的2010 散發量目標。儘管額外成本可以透過散發量減少承擔，在實施時期末將淨節省相等的264百萬美元，等於節省22.1 MMTCE的一個總散發量。
結論
工業界已經想出減少或消除PFC散發量的許多方法。這個分析顯示來自生產的半導體的PFC散發量可能被降低，並且能導致重要勞動生產率和淨成本節約的提升，即使對晶圓廠或者比平均成長值來高的區域。在這點，還沒有實行解決辦法的半導體製造商應該趕快做，不僅降低散發量並且達到WSC的承諾，而且意識到伴隨著改善行動帶來的成本節省。SST-AP/Taiwan
致謝
作者想感謝N. Krishnan, M. Moalem, M. Meisner, R. Vermeulen, D. Clark, and S. Tsu 在研究上的幫助與富有成效交換的想法
參考文獻
1. 2006 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Vol. 3, Chap. 6 (semiconductor industry emissions), http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/ppd.htm.
2. S. Kesari, et al., 𡦖rocess Optimization and PFC Emission Reduction Using C3F8 Chamber Clean Processes in AMAT P-5000 PECVD Tools,?Environmental Issues in the Electronics and Semiconductor Industries, Proc. of the 2nd International Symp. Electrochemical Society, Vol. 99-8, pp. 30-39, 1999.
3. C. Allgood, et al., 𡌃valuation of Octafluorocyclobutane as a Chamber Clean Gas in a Plasma-Enhanced Silicon Dioxide CVD Reactor,?J. of the Electrochemical Society, Vol. 150, No. 2, pp. G122-G126, February 2003.
4. S. Raoux, et al., 𣫮emote Microwave Plasma Source for Cleaning Chemical Vapor Deposition Chambers: Technology for Reducing Global Warming Gas Emissions,?J. of Vacuum Science & Technology B (Microelectronics and Nanometer Structures), Vol. 17, No. 2, pp. 477-485, March 1999.
作者
Seastien Raoux是Ecosys科技的經理，其屬於Metron的一個事業處並完全被Applied Materials 所擁有為其子公司，電子郵件信箱：Sebastien.Raoux@metrontech.com。
圖一：PFC散發量以化學氣相沉積的數量和蝕刻設備，在1995和2010年間以年平均增長(8% 和15%-沒有任何行動被採取)的相關性。每塊派餅圖的表面面積大約代表在規定的情節裡發散出的碳當量物。
圖二：單位晶圓通過基準CVD及蝕刻製程的碳當量的散發量，和各種各樣的過程優化(P1-P3)或者減量(A1-A2)行動。 |
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